CN111591951B - 一种超声传感器结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超声传感器结构，设于上下键合在一起的第一衬底和第二衬底上，第一衬底正面上依次设有介质层、金属层和上电极，金属层与上电极之间通过第一空腔相隔离，金属层和介质层的叠层形成振动膜；第一衬底背面上设有底部连接介质层的第二空腔；第二衬底正面上设有下电极，下电极位于第二空腔中，并通过分设于第二衬底和第一衬底中的通孔连接上电极。本发明能够显著增大振动膜的振动幅度，进一步增强超声传感器的性能。本发明还公开了一种超声传感器结构制造方法。

Description

一种超声传感器结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体集成电路和传感器技术领域，特别是涉及一种超声传感器结构及其制造方法。
背景技术
目前，已开发出许多MEMS超声传感器。传统电容式MEMS超声传感器的振动膜通常由金属和介质的复合膜构成，且是单电容结构，其振动幅度等相关性能受限于结构和工艺。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种超声传感器结构及其制造方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明提供一种超声传感器结构，设于上下键合在一起的第一衬底和第二衬底上；其中
所述第一衬底上包括：
依次设于所述第一衬底正面上的介质层、金属层和上电极；所述金属层与所述上电极之间通过第一空腔相隔离，所述金属层与所述第一衬底之间通过所述介质层相隔离，由所述金属层和所述介质层的叠层形成振动膜；
设于所述第一衬底背面上的第二空腔；所述第二空腔的底部连接所述介质层，且与所述振动膜位置对应；
所述第二衬底上包括：
设于所述第二衬底正面上的下电极；所述下电极位于所述第二空腔中，并通过分设于所述第二衬底和所述第一衬底中的通孔连接所述上电极。
进一步地，所述上电极为多孔结构。
进一步地，所述第二空腔为真空空腔，所述下电极同时作为气体吸附层。
进一步地，所述通孔包括设于所述第一衬底中的第一通孔，以及设于所述第二衬底中的第二通孔和第三通孔，所述第二衬底的背面上设有焊盘，所述下电极通过所述第三通孔连接所述焊盘，所述焊盘通过相连的所述第二通孔和第一通孔连接所述上电极。
本发明还提供一种超声传感器结构制造方法，包括以下步骤：
提供一第一衬底，在所述第一衬底的正面上形成填充有金属的两个第一通孔；
在所述第一衬底的正面上依次沉积介质层和金属层薄膜，并图形化所述金属层薄膜；
沉积牺牲层并图形化，将所述金属层覆盖；
沉积上电极薄膜并图形化，形成覆盖所述牺牲层且具有多孔结构的上电极，并使所述上电极的两端与两个所述第一通孔分别连接；
对所述第一衬底的背面进行减薄，露出所述第一通孔；
对所述第一衬底的背面进行刻蚀，停止在所述介质层上，在两个所述第一通孔之间形成与所述金属层位置对应的第二空腔；
提供一第二衬底，在所述第二衬底上形成贯穿所述第二衬底且填充有金属的两个第二通孔和位于两个所述第二通孔之间的第三通孔；
在所述第二衬底的正面上形成连接所述第三通孔的下电极，以及在所述第二衬底的背面上形成同时连接所述第二通孔和第三通孔的焊盘；
对所述第二衬底的正面与所述第一衬底的背面进行真空键合，使所述第二通孔与所述第一通孔相连，并使所述下电极容于由所述第二空腔形成的真空空腔中；
通过释放工艺，去除所述牺牲层，在所述介质层与所述上电极之间形成第一空腔，并形成位于所述第一空腔和第二空腔之间的由所述金属层和所述介质层的叠层组成的振动膜。
本发明又提供一种超声传感器结构，设于上下键合在一起的第一衬底和第二衬底上；其中
所述第一衬底上包括：
依次设于所述第一衬底正面上的介质层、金属层和上电极；所述金属层与所述上电极之间通过第一空腔相隔离，所述金属层与所述第一衬底之间通过所述介质层相隔离，由所述金属层形成振动膜，所述振动膜悬设于所述介质层上；
设于所述第一衬底背面上的第二空腔；所述第二空腔的底部连接所述介质层，且与所述振动膜位置对应；
所述第二衬底上包括：
设于所述第二衬底正面上的下电极；所述下电极位于所述第二空腔中，并通过分设于所述第二衬底和所述第一衬底中的通孔连接所述上电极。
进一步地，所述上电极为多孔结构。
进一步地，所述第二空腔为真空空腔，所述下电极同时作为气体吸附层。
进一步地，所述通孔包括设于所述第一衬底中的第一通孔，以及设于所述第二衬底中的第二通孔和第三通孔，所述第二衬底的背面上设有焊盘，所述下电极通过所述第三通孔连接所述焊盘，所述焊盘通过相连的所述第二通孔和第一通孔连接所述上电极。
本发明还提供一种超声传感器结构制造方法，包括以下步骤：
提供一第一衬底，在所述第一衬底的正面上形成填充有金属的两个第一通孔；
在所述第一衬底的正面上依次沉积介质层和第一牺牲层，并图形化所述第一牺牲层；
沉积金属层薄膜并图形化，将所述第一牺牲层覆盖；
沉积第二牺牲层并图形化，将所述金属层和第一牺牲层覆盖；
沉积上电极薄膜并图形化，形成覆盖所述第二牺牲层且具有多孔结构的上电极，并使所述上电极的两端与两个所述第一通孔分别连接；
对所述第一衬底的背面进行减薄，露出所述第一通孔；
对所述第一衬底的背面进行刻蚀，停止在所述介质层上，在两个所述第一通孔之间形成与所述振动膜位置对应的第二空腔；
提供一第二衬底，在所述第二衬底上形成贯穿所述第二衬底且填充有金属的两个第二通孔和位于两个所述第二通孔之间的第三通孔；
在所述第二衬底的正面上形成连接所述第三通孔的下电极，以及在所述第二衬底的背面上形成同时连接所述第二通孔和第三通孔的焊盘；
对所述第二衬底的正面与所述第一衬底的背面进行真空键合，使所述第二通孔与所述第一通孔相连，并使所述下电极容于由所述第二空腔形成的真空空腔中；
通过释放工艺，去除所述第二牺牲层和第一牺牲层，在所述介质层与所述上电极之间形成第一空腔，并形成由悬设于所述介质层上的所述金属层所形成的振动膜。
从上述技术方案可以看出，本发明通过在振动膜两侧分别形成空腔，能够显著增大振动膜的振动幅度；并且，可通过上电极、第一空腔和振动膜形成一个电容结构，通过下电极、第二空腔和振动膜形成另一个电容结构，两个电容之间通过通孔相连接，从而能够通过双电容结构来进一步增强超声传感器的性能。
附图说明
图1是本发明一较佳实施例一的一种超声传感器结构示意图。
图2是本发明一较佳实施例二的一种超声传感器结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
在以下本发明的具体实施方式中，请参考图1，图1是本发明一较佳实施例一的一种超声传感器结构示意图。如图1所示，本发明的一种超声传感器结构，设置在通过键合而上下堆叠在一起的第一衬底3和第二衬底1上。第一衬底3和第二衬底1可以采用例如硅片衬底。
请参考图1。第一衬底3上包括：设于第一衬底3正面上的介质层5，设于介质层5上的金属层6，和设于介质层5和金属层6上的上电极7。
其中，介质层5与上电极7之间设有第一空腔8；金属层6与上电极7之间通过第一空腔8相隔离。
金属层6与第一衬底3之间可通过介质层5相隔离；并且，由金属层6和介质层5的叠层一起形成超声传感器的振动膜。
第一衬底3上还包括：设于第一衬底3背面上的第二空腔9，设于第二空腔9两侧第一衬底3中的第一通孔4。
其中，第二空腔9自第一衬底3的背面表面进入第一衬底3内部，直至底部直接接触介质层5，即第二空腔9贯穿第一衬底3设置。并且，第二空腔9与振动膜所在的位置对应。两个第一通孔4贯穿第一衬底3设置，并且，两个第一通孔4的上端各自与上电极7的一个端部连接。
上电极7材料可采用金属铝；用于形成振动膜的金属层6材料可采用氮化钛，介质层5材料可采用二氧化硅。本发明不限于此。
请参考图1。第二衬底1上包括：设于第二衬底1正面上的下电极10，设于第二衬底1背面上的焊盘(PAD)12，以及设于第二衬底1中的两个第二通孔2和一个第三通孔11。
其中，下电极10设置在正好位于第二空腔9中的位置。第二通孔2和第三通孔11贯穿第一衬底3设置，且第三通孔11位于两个第二通孔2之间。
第三通孔11的上端连接下电极10，第三通孔11的下端连接焊盘12；两个第二通孔2的上端各自连接一个第一通孔4的下端，两个第二通孔2的下端连接焊盘12。这样，下电极10即可通过分设于第二衬底1和第一衬底3中的各个通孔11、2、4与上电极7相连接。
各个通孔11、2、4中的填充材料可以是金属铜。本发明不限于此。
第一通孔4的下端与第二通孔2的上端之间可设置键合金属，例如锡或金等。
请参考图1。上电极7可采用多孔结构。第一空腔8可通过上电极7上的多孔结构与外部连通。第二空腔9采用真空空腔；这时，设置容于第二空腔9中的下电极10可同时作为气体吸附层使用，即可使用具有吸附气体能力的金属作为下电极10材料。
下面通过具体实施方式并结合附图1，对本发明的一种超声传感器结构制造方法进行详细说明。
本发明的一种超声传感器结构制造方法，可用于制备例如图1的一种超声传感器结构，并可包括以下步骤：
首先提供两个用于键合的硅片衬底，其中一个用作第一衬底3，另一个用作第二衬底1。
采用常规工艺，在第一衬底3的正面上形成填充有金属铜的两个第一通孔4。其中，在两个第一通孔4之间预留形成第二空腔9的空间。
接着，在第一衬底3的正面上沉积介质层5；然后，可采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)，在介质层5上形成金属层6薄膜，并对金属层6薄膜进行图形化，形成用于组成振动膜的金属层6图形。金属层6图形位于两个第一通孔4之间的介质层5上。
在第一衬底3的正面上继续沉积牺牲层，并对牺牲层进行图形化，使牺牲层将金属层6完全覆盖。牺牲层图形定义了第一空腔8的边界。
接着，在第一衬底3的正面上继续沉积上电极7薄膜，并对上电极7薄膜进行图形化，形成覆盖牺牲层且具有多孔结构的上电极7，并使上电极7的两端与两个第一通孔4分别连接。
接下来，对第一衬底3的背面进行减薄，并使第一通孔4露出减薄后的第一衬底3的背面表面。
然后，对减薄后的第一衬底3的背面进行刻蚀，同时利用介质层5作为刻蚀阻挡层，使刻蚀停止在介质层5上，从而在两个第一通孔4之间形成与金属层6位置对应的第二空腔9。
另一方面，采用常规工艺，在第二衬底1上形成贯穿第二衬底1且填充有金属的两个第二通孔2，以及位于两个第二通孔2之间的一个第三通孔11。
接着，在第二衬底1的正面上沉积下电极10薄膜，并对下电极10薄膜进行图形化，形成连接第三通孔11的下电极10。在第二衬底1的背面上沉积焊盘12金属薄膜，并对焊盘12金属薄膜进行图形化，形成同时连接第二通孔2和第三通孔11的焊盘12。
接下来，将第二衬底1的正面与第一衬底3的背面相对，进行真空键合。键合时，使第二衬底1上的第二通孔2与第一衬底3上的第一通孔4对准，使第二衬底1上的硅表面与第一衬底3上的硅表面对准，并使下电极10容于第二空腔9中。还可在第一通孔4的下端与第二通孔2的上端之间设置锡或金等键合金属。本步骤的键合工艺可以包括硅-硅键合、贯穿硅片通孔内金属的Cu-Cu键合的混合键合，或者可以包括硅-硅键合、通孔端部的Sn-Au键合等工艺方式。
第二衬底1与第一衬底3完成真空键合后，第二空腔9的开口即被第二衬底1所封闭，从而形成真空空腔。此时，可使用具有吸附气体能力的金属作为下电极10材料，这样，容于第二空腔9中的下电极10可同时作为气体吸附层使用。
最后，通过释放工艺，去除牺牲层，在介质层5与上电极7之间形成第一空腔8，并形成位于第一空腔8和第二空腔9之间的由金属层6和介质层5的叠层组成的振动膜。牺牲层材料可选用例如硅。
在以下本发明的具体实施方式中，请参考图2，图2是本发明一较佳实施例二的一种超声传感器结构示意图。如图2所示，本实施例的一种超声传感器结构，与图1实施例中的超声传感器结构之间的区别在于，振动膜仅由金属层6独立形成，且由金属层6独立形成的振动膜悬设于介质层5上，不再与介质层5表面相贴附。
例如，可通过图形化，使金属层6形成框形结构，并使框形的两个下端连接在介质层5上。金属层6位于两个第一通孔4之间，并通过介质层5与第一衬底3相隔离。此时，金属层6的框形中部的横梁即构成振动膜，振动膜悬空处于第一空腔8中，即振动膜的上下两侧都面临空腔。
本实施例的一种超声传感器结构的其他方面，与图1实施例中的超声传感器结构相同，不再赘述。
制造图2的超声传感器结构的方法，与制造图1的超声传感器结构的方法之间的区别在于，在第一衬底3的正面上沉积介质层5后，在沉积金属层6薄膜之前，先沉积一层牺牲层(第一牺牲层)，并图形化，形成例如矩形的牺牲层图形。然后，再在矩形的牺牲层图形上沉积金属层6薄膜，将牺牲层覆盖，并图形化金属层6薄膜，形成具有框形结构的振动膜图形。之后，在振动膜图形和前层的牺牲层上再沉积一层牺牲层(第二牺牲层)，将金属层6和前层的牺牲层覆盖，并图形化。此时，金属层6即嵌设于牺牲层中，并且，由分两次沉积的两层牺牲层(第一牺牲层和第二牺牲层)共同定义第一空腔8的边界。当通过释放工艺，去除牺牲层(第一牺牲层和第二牺牲层)后，即在介质层5与上电极7之间形成第一空腔8，并形成由悬设于介质层5上的金属层6所形成的振动膜。本实施例制造方法的其他方面，与图1中的超声传感器结构制造方法相同，不再赘述。
以上的仅为本发明的优选实施例，实施例并非用以限制本发明的保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种超声传感器结构，其特征在于，设于上下键合在一起的第一衬底和第二衬底上；其中
所述第一衬底上包括：
依次设于所述第一衬底正面上的介质层、金属层和上电极；所述金属层与所述上电极之间通过第一空腔相隔离，所述金属层与所述第一衬底之间通过所述介质层相隔离，由所述金属层和所述介质层的叠层形成振动膜；
设于所述第一衬底背面上的第二空腔；所述第二空腔的底部连接所述介质层，且与所述振动膜位置对应，并贯穿所述第一衬底且为真空空腔；
所述第二衬底上包括：
设于所述第二衬底正面上的下电极；所述下电极位于所述第二空腔中，并通过分设于所述第二衬底和所述第一衬底中的通孔连接所述上电极。
2.根据权利要求1所述的超声传感器结构，其特征在于，所述上电极为多孔结构。
3.根据权利要求1所述的超声传感器结构，其特征在于，所述下电极同时作为气体吸附层。
4.根据权利要求1所述的超声传感器结构，其特征在于，所述通孔包括设于所述第一衬底中的第一通孔，以及设于所述第二衬底中的第二通孔和第三通孔，所述第二衬底的背面上设有焊盘，所述下电极通过所述第三通孔连接所述焊盘，所述焊盘通过相连的所述第二通孔和第一通孔连接所述上电极。
5.一种采用权利要求1所述的超声传感器结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一第一衬底，在所述第一衬底的正面上形成填充有金属的两个第一通孔；
在所述第一衬底的正面上依次沉积介质层和金属层薄膜，并图形化所述金属层薄膜；
沉积牺牲层并图形化，将所述金属层覆盖；
沉积上电极薄膜并图形化，形成覆盖所述牺牲层且具有多孔结构的上电极，并使所述上电极的两端与两个所述第一通孔分别连接；
对所述第一衬底的背面进行减薄，露出所述第一通孔；
对所述第一衬底的背面进行刻蚀，停止在所述介质层上，在两个所述第一通孔之间形成与所述金属层位置对应并贯穿所述第一衬底的第二空腔；
提供一第二衬底，在所述第二衬底上形成贯穿所述第二衬底且填充有金属的两个第二通孔和位于两个所述第二通孔之间的第三通孔；
在所述第二衬底的正面上形成连接所述第三通孔的下电极，以及在所述第二衬底的背面上形成同时连接所述第二通孔和第三通孔的焊盘；
对所述第二衬底的正面与所述第一衬底的背面进行真空键合，使所述第二通孔与所述第一通孔相连，并使所述下电极容于由所述第二空腔形成的真空空腔中；
通过释放工艺，去除所述牺牲层，在所述介质层与所述上电极之间形成第一空腔，并形成位于所述第一空腔和第二空腔之间的由所述金属层和所述介质层的叠层组成的振动膜。
6.一种超声传感器结构，其特征在于，设于上下键合在一起的第一衬底和第二衬底上；其中
所述第一衬底上包括：
依次设于所述第一衬底正面上的介质层、金属层和上电极；所述金属层与所述上电极之间通过第一空腔相隔离，所述金属层与所述第一衬底之间通过所述介质层相隔离，由所述金属层形成振动膜，所述振动膜悬设于所述介质层上；
设于所述第一衬底背面上的第二空腔；所述第二空腔的底部连接所述介质层，且与所述振动膜位置对应，并贯穿所述第一衬底且为真空空腔；
所述第二衬底上包括：
设于所述第二衬底正面上的下电极；所述下电极位于所述第二空腔中，并通过分设于所述第二衬底和所述第一衬底中的通孔连接所述上电极。
7.根据权利要求6所述的超声传感器结构，其特征在于，所述上电极为多孔结构。
8.根据权利要求6所述的超声传感器结构，其特征在于，所述下电极同时作为气体吸附层。
9.根据权利要求6所述的超声传感器结构，其特征在于，所述通孔包括设于所述第一衬底中的第一通孔，以及设于所述第二衬底中的第二通孔和第三通孔，所述第二衬底的背面上设有焊盘，所述下电极通过所述第三通孔连接所述焊盘，所述焊盘通过相连的所述第二通孔和第一通孔连接所述上电极。
10.一种采用权利要求6所述的超声传感器结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供一第一衬底，在所述第一衬底的正面上形成填充有金属的两个第一通孔；
在所述第一衬底的正面上依次沉积介质层和第一牺牲层，并图形化所述第一牺牲层；
沉积金属层薄膜并图形化，将所述第一牺牲层覆盖；
沉积第二牺牲层并图形化，将所述金属层和第一牺牲层覆盖；
沉积上电极薄膜并图形化，形成覆盖所述第二牺牲层且具有多孔结构的上电极，并使所述上电极的两端与两个所述第一通孔分别连接；
对所述第一衬底的背面进行减薄，露出所述第一通孔；
对所述第一衬底的背面进行刻蚀，停止在所述介质层上，在两个所述第一通孔之间形成与所述振动膜位置对应并贯穿所述第一衬底的第二空腔；
提供一第二衬底，在所述第二衬底上形成贯穿所述第二衬底且填充有金属的两个第二通孔和位于两个所述第二通孔之间的第三通孔；
在所述第二衬底的正面上形成连接所述第三通孔的下电极，以及在所述第二衬底的背面上形成同时连接所述第二通孔和第三通孔的焊盘；
对所述第二衬底的正面与所述第一衬底的背面进行真空键合，使所述第二通孔与所述第一通孔相连，并使所述下电极容于由所述第二空腔形成的真空空腔中；
通过释放工艺，去除所述第二牺牲层和第一牺牲层，在所述介质层与所述上电极之间形成第一空腔，并形成由悬设于所述介质层上的所述金属层所形成的振动膜。
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